Эскизный проект

Конструкция и прочность летательных

Аппаратов

ЛЕКЦИИ

Курс

Составитель профессор А.И. Радченко

Киев 2009

Литература

1. Гаража В.В. Конструкция самолетов. Учебник, Киев, КМУГА, 1998, 565 с.

2. Житомирский Г.И. Конструкция самолетов. Учебник. М.: Машиностроение, 1991- 400 с.

3. Черненко Ж.С., Сабитов Н.Г., Гаража В.В. и др. Конструкция и прочность воздушных судов: Учебное пособие. – Киев: КИИГА,1985. - 88с.

4. Сабитов Н.Г., Гаража В.В., Челюканов И.П. и др. Конструкция и прочность воздушных судов. Учебное пособие. – Киев: КИИГА, 1987 –258 с.

5. Конструкция и прочность самолетов и вертолетов. Учебник. Под ред. К.Д. Миртова, Ж.С. Черненко. – М.: Транспорт, 1990 – 486 с.

6. Зайцев В.Н., Ночевкин Г.Н., Рудаков В.Л. Конструкция и прочность самолетов. Киев: Вища школа, 1978 – 542 с.

7. Авиационные правила (АП-25). М.: МАК – 1994. –322 с.

8. Челюканов І.П., Савельєв Г.В. Конструкція літаків. К.: НАУ, 2004.– 188 с.

9. Сборник задач по конструкции и прочности самолетов и вертолетов. – М.: Транспорт, 1973 – 236 с.

10. Челюканов И.П., Гаража В.В., Сергиенко С.П. и др. Выбор параметров и расчет масс самолета. Методические указания по курсовому проектированию. Киев, РИО КИИГА, 1989 – 48 с.

11. Челюканов И.П., Гаража В.В., Сергиенко С.П. и др. Компоновка и центровка самолета. Методические указания по курсовому проектированию. Киев, РИО КИИГА, 1989 – 48 с.

12. Челюканов И.П., Гаража В.В., Сергиенко С.П. и др. Оценка летно-технических характеристик и оформление курсового проекта. Киев, РИО КИИГА, 1989 – 44 с.

Министерство образования и науки Украины

Национальный авиационный университет

Аэрокосмический институт

Кафедра конструкции летательных аппаратов

ЛЕКЦИЯ № 1 (3)

По дисциплине "Конструкция и прочность летательных аппаратов"

1. ИСТОРИЯ РАЗИТИЯ САМОЛЕТОВ.
ЭТАПЫ ИХ СОЗДАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Составитель профессор А.И. Радченко

Киев 2009

1.1 КРАТКИЙ ИСТОРИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОЧЕРК
РАЗВИТИЯ САМОЛЕТОВ

Полет на аппаратах легче воздуха называется воздухоплава­нием, а на аппаратах тяжелее воздуха — авиацией (от латинско­го avis — птица).

Современные летательные аппараты (ЛА) тяжелее воздуха делятся на три группы. К первой (основной) группе относятся ап­параты, у которых подъемная сила создается неподвижно располо­женным относительно аппарата крылом (планеры, самолеты и само­леты-снаряды).

Вторая группа — бескрылые управляемые реактивные снаря­ды-ракеты. Они почти весь полет совершают по инерции по законам свободно брошенного тела, за исключением небольшого участка (или участков) траектории, проходимого ими с работающим двига­телем. Этот участок называется активным.

В третью группу входят все винтонесущие аппараты, подъемная сила у которых образует­ся вследствие вращения несущего винта (вертолеты, автожиры). ЛА первой и третьей групп летают только в достаточно плотных слоях атмосферы. Возможны комбинации ЛА первой со второй и первой с третьей группами — это самолеты вертикального взлета и посадки и вертолеты с крылом.

Процесс развития самолетов обусловлен взаимным влиянием и взаимодействием между наукой, производством и эксплуатацией самоле­тов.

Установлено, что каждое из свойств самолета (масса, скорость полета и т.д.) пропорционально массе вещества, затраченного на формирование данного свойства, а коэффициент пропорциональности отра-жает уровень развития науки и техники. Это позволяет в качестве критериев для

Рис. 1.1. Изменение относи­тельной массы, частей историко - технического
самолета и максимальной ско­рости по периодам анализа развития самолетов
(го­дам) развития авиации выбирать значения относи-тельных масс агрегатов и частей самолета, так как они непосредственно связывают все его свойства с уровнем развития науки и техники.

На рис. 1.1 показаны зависимости значе­ний относительной массы планера самолета` m<sub>пл</sub>, относительной массы силовой установки ` m_с.у, относительной массы топлива ` m<sub>т</sub> и относительной массы служебной и целе­вой нагрузки ` m_ц.н от времени t, начиная с 1903 г.

Для упрощения анализа массы оборудования и снаряжения отнесены к целевой нагрузке.

На этом же рисунке показаны рост скоростей полета по годам и границы периодов, которые, как правило, совпадают с из­менением градиентов каждого из критериев.

Период i (до 1903г.) характеризуется попытками многих исследователей построить аппарат тяжелее воздуха и на нем подняться в воздух.

эту идею разрабатывал в сред­ние века Леонардо да Винчи, затем уже в XVIII столетии — Ломоносов, по­строивший и испытав­ший модель прообраза вертолета.

Начиная с середины XIX столетия, в разных странах предпри­нимались попытки создания аппаратов тяжелее воздуха без дви­гателей. Интересные опыты с воздушными змеями проводил наш соотечественник А. Ф. Можайский. Цель опытов заключалась в исследовании несущей поверхности будущего самолета. Параллель­но с опытами над воздушными змеями А. Ф. Можайский работал над воздушными винтами — движителями ЛА. Немецкий ученый О. Лилиенталь в 1891 - 1896 гг. спроектировал и облетал несколько планеров.

Предпринимались попытки создания самолетов с паро­выми машинами.
В 1881 г. получил патент и построил самолет А. Ф. Можайский. Самолет имел прак­тически все элементы современного самолета. в 1894 г. сделал гигантский самолет англича­нин X. Максим, во Франции проектировал самолеты изобретатель К. Адер. Однако паровые двигатели были сложны, тяжелы и гро­моздки и попытки летать с такими двигателями заканчивались неудачно.

Попытки создания самолета в конце XIX столетия носили эксперименталь­ный характер. В России теоретические основы аэродинамики, теории полета и расчета самолета начали создаваться в результате работ Н. Е. Жуковского и его учеников.

ПериодII (1903—1920 гг.).

Первый успешный полет был произведен 17 декабря 1903 г. на самолете с двигателем внутреннего сгорания. Создали самолет и осуществили этот полет братья У. и О. Райт в США.

Примерно в это же время один за другим создаются самолеты в Европе, глав­ным образом во Франции (Л. Брелио, А. Сантос Дюмон, Ф. Фербер). Большой вклад в развитие конструктивных форм самолетов, их производство, создание и внедрение в практику самолетострое­ния новых авиационных материалов внесли российские ученые, кон­структоры, инженеры и летчики.

Первый период характеризуется господством эвристиче­ского подхода к созданию самолета на базе методов прямой и косвенной ана­логий, что отразилось в видовом многообразии самолетов, отсутствии устой­чивых значений относительных масс.

Падение значений ` m_пл с 0,6 до 0,4 (см. рис. 1.1) связано с накоплением опыта постройки самолетов и широким использованием методов, материалов и конструктивных решений из других областей техники (кораблестроение, автомобилестроение, моторостроение и т. д.).

Уменьшение ` m_су с 0,31 до 0,25 связано с применением двигателей воздушного охлаждения, совершенствованием способов водяного охлаждения, повышением числа оборотов двигателей, созданием специализированных авиационных моторов на базе автомобильных.

Потребность совершения более продолжительных полетов, а также использование двигателей с воздушным охлаждением, снижающих из-за большего сопротивления аэродинамическое ка­чество самолета, отразилась на увеличении m_т.

Период II (1903 - 1920 гг.).

Период II характеризуется увеличением полезной отдачи ` m_ц.н в связи с требованием иметь на борту второго члена экипажа (пилота-наблюдателя), установки оружия на борту и боеприпасов для ведения воздушного боя.

Среди компоновочных схем этого периода — монопланы с тянущим винтом нормальной схе­мы, бипланы с толкающим винтом, расположенным позади крыльев, бипланы с тянущим винтом и хвостовым оперением, связанным с крыльями при помощи стержневых ферм.

Планер самолета представлял собой деревянный форменный каркас, обтянутый полотняной обшивкой с широким использованием расчалок. Детали каркаса либо склеивались между собой, ли­бо скреплялись металлическими накладками.

Второй период — это период становления экспериментальной базы аэродинами­ческой науки, период накопления материалов о способах и методах кон­струирования и проектирования самолетов.

Этот период связан с плодотворной деятельностью таких ученых как
Н. Е. Жуковский и его ученики: С. А. Чаплы­гин, В. Н. Ветчинкин, Б. Н. Юрьев, А. Н. Туполев и др.

Постройкой самолетов занималось тогда много энтузиастов. Интересны ра­боты Д. П. Григоровича, В. А. Слесарева, Я. М. Гаккеля, И. И. Сикорского, особенно четырехмоторные бомбардировщики «Русский витязь» и «Илья Муромец». Из иностранных самолетов в серийном производстве в России тогда были самолеты «Фарман», «Вуазен», «Ньюпор», «Моран», «Блерио» и др.

Период III (1914 - 1935 гг.) определяет начало практического исполь­зования авиации в интересах удовлетворения потребностей общества. При­менение авиации в первой мировой войне выявило возможности ее успешного использования в военных целях. Определились и начали быстро совершенство­ваться такие типы самолетов военного назначения, как разведчики, истребители, бомбардировщики, транспортные. К концу первой мировой войны скорости полета самолетов достигли 200…220 км/ч, высота полета до - 7 км.

Это период дальнейшего развития экспери­ментальной аэродинамики, совершенствования двигателей, конструкции, раз­работки методов проектирования на базе пересчета коэффициентов или метода прототипов. Во Франции, Англии, Германии, России начинает создаваться авиационная промышленность, появ­ляются научно-исследовательские базы и институты. Для проектирования, исследования и создания новых образцов авиационной техники в том же 1918 г. был создан центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), за короткое время превратившийся в крупнейший научный центр. В 1920 г. на базе Московского авиатехникума был организован институт инженеров Красного воздушного флота, реорганизован­ный в 1922 г. в Академию ВВС имени Н. Е. Жуковского. В 20-х годах были организованы конструкторские бюро по самолетострое­нию, которые возглавили А. Н. Туполев, Н. Н. Поликарпов, Д. П. Григорович.

Увеличение ` m_пл связано с переходом конструкций от деревянных к смешанным, а затем и к цельнометаллическим.

В деревянных конструкциях - преобладали ферменно-расчалочные фюзеляжи и крылья с обшивкой носовых частей листами фанеры.

Для смешанных кон­струкций характерны ферменные сварные каркасы (стальные трубы дешевле и практичнее деревянных брусков и планок, особенно при многочисленных узлах). Фанерная обшивка крепилась к каркасу из металлических и дюралевых труб.

В первой половине 1930-х гг. появились цельнометалли­ческие самолеты с жесткой металлической гофрированной обшивкой. Шасси, в основном, неубираю­щееся с системой обтекателей, шнуровой резиновой и пластинчатой амортизацией.

Возрастание ` m_с.у определялось удовлетворением требований летать быстрее и выше. Харак­терен переход на высокооборотные моторы. Во второй половине 1920-х годов число оборотов двигателя равнялось 1400...1700 об/мин. в первой половине 1930-х гг. оно доходило до 2400 об/мин. Использовались воздушные винты сначала с дере­вянными лопастями, затем с дюралевыми с фиксированным шагом (ВФШ).

Для указанного периода характерна некоторая стабильность значений
`m_т что обуславливает­ся, с одной стороны, увеличением продолжительности полета, и с другой стороны, снижением удельного расхода топлива двигателей (повышением их экономичности).

Для этого периода характерны бипланы классической балансировочной схемы и свободнонесущие монопланы. Появились и начали широко исполь­зоваться гидросамолеты. У скоростных самолетов ухудшились взлетно-посадочные характеристики.

В этот период были созданы: самолет А. Н. Туполева АНТ-1, первый цельнометаллический самолет АНТ-2, первый в мире тяжелый двухмоторный бомбардировщик ТБ-1 свободнонесущей монопланной схемы. Строились самолеты-истребители Н. Н. Поликарпова, знаменитый его учебный самолет
У-2 (По-2) и разведчик Р-5, сменивший самолет Р-1; истребители и гидросамолеты Д. П. Григоровича. Использовались зарубежные самолеты - «ньюпоры», «юнкерсы», «фоккеры» и др.

Период IV (1930—1950 гг.) характеризуется:

- борьбой за аэродинамическое совершенство самолета, за увеличение мощностей моторов для роста скорости и высоты полета;

- созданием самолетов с заранее заданными свой­ствами, приданием им свойств боевой живучести и надежности;

- совер­шенствованием схем самолетов при переходе с поршневых на газотурбин­ные двигатели.

Начали применятся шасси самолета, которые убираются в полете (сначала частично, а затем и полностью). Уборка шасси позволила повысить скорость полета более чем на 50 км/ч.

С ростом удельной нагрузки на крыло наметились тенденции к резкому ухудшению взлетно-посадочных характеристик (ВПХ). Для улучшения ВПХ самолета начала широко использоваться развитая механизация задней кромки крыла, позволяющая увеличить несущую способ­ность крыла — коэффициенты подъемной силы на взлете и посадке.

Появляются щитки, простые закрылки, щелевые, закрылки Фаулера. Однако эти мероприятия, привели к увеличению` m _пл.

Происходит переход от обшивки типа гофр к смешанной (гофр, который сверху покрыт полот­няной либо фанерной обшивкой), а затем и к целиком гладкой металлической обшивке, обес­печивающей гладкость обводов. Широко используются заклепки с потайными головками.

В конструкции фюзеляжей стремятся избежать больших выре­зов, броня боевых самолетов включается в общую силовую схему, ликвидируются различные конструктивные надстройки, появляются фонари кабин каплеобразных форм, развивается капоти­рование двигателей.

Величина ` m _с.у продолжает возрастать. Увеличение мощности двигателей было обусловлено увеличением числа цилиндров, использованием центробежных нагнетателей рабочей смеси, широким использованием турбокомпрессоров. Для повышения КПД винта стали использовать винты изменяемого шага (ВИШ). На самолетах с поршневыми двигателями стали использовать ре­активный выхлоп, применять туннельные радиаторы. Однако возможности по уменьшению удель­ной массы поршневых двигателей были исчерпаны, дальнейшего роста скоростей за счет увеличения мощности поршневых авиадвигателей уже нельзя было получить, это привело к необходимости перехода на турбореактивные двигатели.

В этот период значение ` m _т возрастало сначала из-за опережающего роста мощностей поршневых двига­телей по отношению к снижению удельных расходов топлива, а затем стало расти еще резче с переходом на турбореактивные двигатели (ТРД).

Первые ТРД имели очень высокие значения удельного расхода топлива, поэтому даже при уменьшении полетного времени потребный запас топлива резко возрастал. Рост значений ` m <sub>пл</sub>, ` m _су и ` m <sub>т</sub>, с одной стороны, не мог не привести к снижению доли целевой нагрузки ` m _цн.

Схемы самолетов четвертого периода — монопланы классической схемы поч­ти полностью вытеснили самолеты бипланных схем. Установка первых ТРД (двигатели помещали в нижней части фюзеляжа) приводила к изменению об­щей компоновки самолета. Крыло располагалось над воздухозаборником (двигателем), длина стоек шасси из-за отсутствия винта сокращалась, наметилась тенденция к применению трехопорной схемы с носовым колесом вместо гос­подствующей до этого трехопорной схемы с хвостовым колесом.

перед началом Ве­ликой Отечественной войны были созданы новые конструкторские бюро А. С. Яков­лева, А. И. Микояна, С. А. Лавочкина, П. О. Сухого и др.

Ученые в те годы ус­пешно решали вопросы, связанные с обеспечением прочности авиацион­ных конструкций (разработка методов расчета свободнонесущего крыла с жест­кой обшивкой), улучшением аэродинамических характеристик самолета, борь­бы с флаттером, созданием и улучшением характеристик ТРД.

Среди самолетов этого периода: предвоенные истребители И-15, И-16 и

И-153; бомбардировщики ТБ-3 - первые в мире четырехмоторные свободнонесущие монопланы, определившие рациональную схему такого типа самолета, ТБ-4 и ТБ-5; самолеты АНТ-25, на которых экипажи В. П. Чкалова и М. М. Гро­мова совершили рекордные по дальности перелеты в Северную Америку.

Са­молеты военных лет: Як-1, Як-3, Як-7 и Як-9; МиГ-3; знаменитый брониро­ванный штурмовик Ил-2, Ил-10; Ла-5 и Ла-7; Ту-2. Большинство из этих самолетов превосходили по своим качествам самолеты противника.

В 1942 г. был впервые осуществлен полет на реактивном истребителе БИ с ЖРД.

Послевоен­ные первые реактивные самолеты Як-15, МиГ-9, Ла-15, Ил-28 и др.

Период V (1945—1965) характеризуется развитием скоростных само­летов с ТРД; борьбой за уменьшение аэродинамического сопротивления и обес­печение устойчивости и управляемости при полете на больших околозвуко­вых скоростях; переходом к крыльям малых удлинений, треугольным и стрело­видным с малой относительной толщиной, к фюзеляжам с увеличенным удлине­нием, к цельноповоротным стабилизаторам.

Уменьшение значений ` m _пл вызвано увеличением удельной нагрузки на крыло, выбором материалов с лучшими характеристиками удельной прочности, отсутствием излишних запасов прочности в связи с уточнением расчетов на прочность, выбором более рациональных конструктивно-силовых схем агрегатов планера и т. д.

Однако при­менение герметических кабин с высоким избыточным давлением, тонких стреловидных крыльев, развитой системы механизации задней кромки крыла замедляет снижение значений ` т _пл

Уменьшение значений ` m _с.у происходит за счет накопления опыта разработки, создания и эксплуатации ТРД, снижения их удельной массы за счет улучшения схемы, материалов и конструк­ции, повышения значений параметров рабочего процесса, применения более совершенных регу­лируемых входных и выходных устройств, снижающих потери тяги.

Увеличение значений ` m _т связано с таким увеличением дальности и продолжительности полета, которое не перекрывается созданием более экономичных ТРД.

В этот период были созданы: первый реактивный пассажирский самолет Ту-104, турбовинтовые пассажирские самолеты Ил-18, Ту-114 для межконтинентальных полетов, Ан-8 и Ан-10, всепогодный истребитель Як-25, бомбардировщик Ту-16, истребители МиГ-15 и МиГ-17, сверхзвуковые МиГ-19 и
МиГ-21 и другие самолеты.

Период VI (с 1960-х гг. до настоящего времени) характеризуется появлением и развитием самолетов сверхзвуковой всепогодной авиации, а также попытками аналитического решения задач оптимального проектирования, раз­витием систем автоматизированного проектирования и конструирования с ши­роким использованием электронно-вычислительной техники при разработке и создании самолетов.

повышается весовая отдача самоле­тов. снижаются ` m <sub>пл</sub>, ` m _с.у, ` m _т (несмотря на увеличение дальности полета).

Достижения науки и техники позволят использовать:

- интегральные формы планера с не­сущим фюзеляжем и меньшей площадью крыла (снижение ` m _кр);

- активные системы управления для уменьшения запасов устойчивости и уменьшения, вследствие этого, потерь на баланси­ровочное сопротивление, повышение аэродинамического качества (снижение ` m <sub>т</sub>) и уменьшение площади оперения (снижение ` m _оп);

- активные системы управления для снижения нагрузок при полете в турбулентной атмосфере (снижение ` m <sub>пл</sub> и ` m _кр);

- адаптивное крыло для перераспределения нагрузок на него и снижение, вследствие этого, изгибающих моментов

Выполнение «правила площадей» обеспечивает самолету минимальное волновое сопротивле­ние, более высокое качество и снижение` m <sub>т</sub>. Выбор более рациональных значений параметров конструкции крыла и оперения, их конструктивно-силовой схемы позволяет снизить значение` m _пл.

Использование новых конструкционных материалов с повышенными характеристиками удельной прочности и удельной жесткости (алюминиево-литиевых сплавов, композиционных материалов приводит к снижению массы самолета.

Повышение степени двухконтурности ТРДД позволяет получить лучшие характеристики их удельной массы и удельного расхода. Переход на винтовентиляторные двига­тели позволяет еще больше снизить массу самолета из-за более высокой экономичности этих двигателей.

Для гражданских самолетов снижение значений` m <sub>пл</sub>,` m _т и` m _су приводит к повышению их топлив­ной эффективности — работы, производимой самолетом на единицу массы затраченного топли­ва, являющегося одним из важнейших показателей, определяющим целесообразность (с точки зрения эффективности и материальных затрат) принимаемых конструктивных решений при разра­ботке самолетов гражданской авиации.

1.2. основные этапы проектирования, постройки
летательного аппарата и его эксплуатации

Эскизный проект

Получив техническое задание (ТЗ) на проектирование летатель­ного аппарата (ЛА) и сводку эксплуатационно-технических тре­бований (ЭТТ), опытное конструкторское бюро (ОКБ), намечает основные черты будущего ЛА и его параметры. После этого начинается конструкторская и исследовательская работа. Первыми результатами этой работы являются аванпроект, включающий в себя предварительные разра­ботки (на уровне технического предложения) и эскизный проект.

При создании эскизного проекта:

- выбираются силовая установка, аэродинамическая компоновка, материалы и тип конструкции частей планера, состав обору­дования;

- разрабатываются чертежи общего вида, компоновка, а также чертежи отдельных частей;

- производится предварительный аэродинамический расчет, осно­ванный на данных продувок;

- рассчитываются на прочность наиболее ответственные части конструкции;

- оценивается эффективность ЛА;

- изготавливается макет (в натуральную величину) конструкции, в который входят кабина экипажа, часть пассажирского салона, примыкающие части крыла, двигательная установка и др. Макет принимается макетной комиссией в составе: пилоты, инженеры по оборудованию и другие специалисты.

Эскизный проект является основой для дальнейшей работы.